Реферат: Об управлении развитием еэс россии в новых условиях волькенау и. М., инж., Инэи ран

Об управлении развитием ЕЭС России в новых условиях

ВОЛЬКЕНАУ И. М., инж., ИНЭИ РАН


Немного об авторе. Ирина Михайловна Волькенау после окончания Москов­ского энергетического института в 1951 г. и до настоящего времени работает в области развития энергосистем.

С 1961 по 1986 г. она была главным инженером проекта Единой энергосисте­мы Советского Союза. Одновременно Ирина Михайловна принимала участие в разработке методических основ проектирования энергосистем, была членом ра­бочей группы специалистов Европейской энергетической комиссии при ООН (г. Женева).


Создание энергосистем и объедине­ние их между собой на огромных территориях стало основным направле­нием развития электроэнергетики мира в XX веке. Это обусловлено отличитель­ной особенностью отрасли, в которой производство и потребление продукции происходят практически одновременно. Невозможно накопление больших коли­честв электроэнергии, а устойчивая ра­бота электростанции и сетей обеспечи­вается в очень узком диапазоне основ­ных параметров режима {частота тока в системе, напряжение в основных узлах сети, перетоки мощности по линиям электропередачи и др.). В этих условиях надежное электроснабжение от отдель­ных электростанций требует резерви­рования каждой станции как по мощно­сти, так и по распределительной сети.

Известно, что объединенная работа энергосистем позволяет уменьшить не­обходимую установленную мощность в основном за счет разновременности на­ступления максимумов электрической нагрузки объединения, включая и по­ясной сдвиг во времени, сокращения необходимых резервов мощности вследствие малой вероятности одновре­менной крупной аварии во всех объеди­няемых системах.

Кроме того, удешевляется строи­тельство электростанций за счет укруп­нения их агрегатов и увеличения деше­вой мощности на ГЭС, используемой только в переменной части суточного графика электрической нагрузки. В объединении может быть обеспечено рациональное использование энергомощностей и энергоресурсов за счет оптимизации режимов загрузки различ­ных типов электростанций.

Но главным преимуществом энерго­объединения является возможность ши­рокого маневрирования мощностью и электроэнергией на огромных террито­риях в зависимости от реально скла­дывающихся условий. Дополнительное электросетевое строительство, связан­ное с созданием энергообъединений, не требует больших затрат, так как при их формировании используются в ос­новном линии электропередачи, необ­ходимые для выдачи мощности элек­тростанций, а затраты на них с лихвой окупаются удешевлением строитель­ства крупной электростанции по сравне­нию с несколькими станциями меньшей мощности. И следовательно, только объединенная работа энергосистем по­зволяет обеспечить более экономич­ное, надежное и качественное электро­снабжение потребителей.

Однако параллельная работа энерго­систем на одной частоте требует созда­ния соответствующих систем управле­ния их функционированием, включая и противоаварийное управление, а также координации развития энергосистем. Это обусловлено тем, что системные аварии в большом объединении охваты­вают огромные территории и при со­временной "глубине" электрификации жизни общества приводят к тяжелей­шим последствиям и огромным ущербам.

Поскольку электроэнергия "не скла­дируется", при возникновении дефицита она не может быть свободно (при отсутствии электрической сети) куплена на мировом рынке и доставлена в любое место, как другие продукты и товары. Поэтому обеспечение надежного и эко­номичного электроснабжения требует заблаговременного начала строитель­ства новых генерирующих источников и электрических сетей, так как энергети­ческие объекты весьма дороги и трудо­емки. При этом необходимо обеспе­чить рациональный состав этих источни­ков по используемым энергоресурсам, их основным техническим характерис­тикам (единичной мощности агрегатов и электростанций; их регулировочным возможностям в суточном, недельном и годовом разрезе), а также их раз­мещение.

Для этого необходима координация развития энергосистем и энергообъеди­нений путем прогнозирования как на долгосрочную (10-20 лет), так и на краткосрочную (3-5 лет) перспективу, которое должно периодически повто­ряться. Последнее обусловлено тем, что все исходные данные для прогнози­рования (уровни и режимы электропо­требления, размещение потребителей, стоимость перспективных энергетиче­ских объектов с учетом научно-техниче­ского прогресса, а также различных ви­дов топлива и др.) весьма неопределен­ны даже в условиях плановой экономики страны. Очевидно, что в условиях ры­ночной экономики эта неопределен­ность многократно возрастает.

Однако в прошлом веке управление функционированием и развитием уда­валось осуществлять в основном в на­циональных энергосистемах. В транс­национальных объединениях создание наднациональных органов управления функционированием и развитием в про­шлом веке было затруднено по ряду причин, в том числе и по условиям наци­ональной безопасности. Не удалось их создание и в крупнейшей энергосис­теме США, где электроснабжение страны осуществлялось огромным чис­лом энергокомпаний с различными формами собственности.

С некоторой долей условности мож­но выделить два типа интеграции энерго­систем: энергообъединение, состоящее из энергосистем, работающих на еди­ную электрическую сеть с той или иной степенью координации функционирова­ния и развития (при этом межсистемный эффект реализуется лишь частично) и единую энергетическую систему стра­ны или нескольких стран, функционирование и развитие которой осуществляется централизованно по единым критериям и обеспечивает наибольший экономический эффект в масштабах его объединения.

К концу XX века в мире сформирова­ть и продолжали создаваться энергообъединения практически на всех континентах (кроме Антарктиды). Еще в послевоенный период начали создаваться крупнейшие энергообъединения Запад­ай Европы и Северной Америки, а также единые энергосистемы Советского Союза и стран — членов Совета экономической взаимопомощи (СЭВ) в Вое­нной Европе, которые принципиально различались по степени интеграции.

Крупнейшее энергообъединение стран западной Европы — ИСТЕ (в прошлом СРТЕ) включает в настоящее время Бельгию, Германию, Испанию, Францию, Грецию, Словению, Хорватию, Италию, Люксембург, Нидерланды, Австрию, Португалию, Швейцарию. Суммарная установленная мощность свыше 14 млн. кВт {1998 г.), обслуживаемая территория 2818 тыс. км2. Объединение начало формироваться еще в 1951 г. для координации функционирования и развития и представляло собой типичный пример работы национальных энергосистем на единую электрическую сеть. Координирующим органом был Совет, в который входили представители всех национальных, энергосистем. Он зарабатывал рекомендации по единой технической политике в области электроэнергетики, развитию генерирую­щих мощностей, принципам построения электрической сети, системам диспетчерского управления и автоматики, возможностям реализации межсистемного эффекта от объединенной работы национальных энергосистем. (Все данные по энергообъединениям мира \ Бондаренко А. Ф. и др. Зарубежные энергообъединения // Изд-во "ЭНАС", 2001 г., Москва).

Все национальные системы до настоящего времени обеспечивали полностью свои потребности в мощности с учетом полного расчетного резерва. При этом перетоки мощности и энергии между национальными энергосистемами, обусловленные в основном рационализацией режимов использования электростанций, неуклонно возрастали, что было главным показателем единства режима и "связанности" энергообъединения.

Перетоки мощности в объединении были обусловлены в основном целесообразностью покупки дешевой энергии и мощности во Франции — у основного экспортера энергии от АЭС, а также передачей сезонных избытков мощности ГЭС, так как большинство гидроэлектростанций в Западной Европе не имеют больших водохранилищ и т.д.

Поскольку национальные энергосистемы имеют относительно небольшие мощности, сооружение больших электростанций с крупными агрегатами вы­зывало трудности их рационального использования. В связи с этим в ряде случаев осуществлялись кооперация и "поочередное" строительство генери­рующих мощностей в соседних странах.

Для этого энергообъединения харак­терны высокая плотность электрических нагрузок и весьма равномерное рас­пределение их по территории. Это пре­допределило выбор единой шкалы но­минальных напряжений 110 - 220 кВ и 380 кВ и высокую плотность электриче­ских сетей высших напряжений. При этом большинство линий электропере­дачи выполнены на двухцепных или даже многоцепных опорах, а конфигу­рация электрической сети представляет собой плотную "сетку" напряжением 220 - 380 кВ с линиями небольшой протяженности. Такая электрическая сеть имеет большую пропускную способ­ность, и в ней широко применяется принцип построения схемы - (-1) и (-2), который позволяет отказаться от действий противоаварийной автоматики (ПА) при отключении, соответственно, одного или двух самых крупных элемен­тов сети.

Энергообъединение не имело едино­го диспетчерского управления. Диспет­черизация осуществлялась путем дву­сторонних или многосторонних дого­воренностей между диспетчерскими службами национальных энергосистем. В объединении были разработаны еди­ные нормативы надежности. Широко распространено управление электро­потреблением и электрической нагруз­кой, которое позволило "выровнять" су­точные режимы электропотребления, снижая максимум и повышая минимум нагрузки; применяется отключение по­требителей при "нерасчетных" авариях для предотвращения распространения нарушений электроснабжения на боль­шие территории. При возникновении не­большого дефицита потребителей по радио и телевидению просят уменьшить электрическую нагрузку.

По иному принципу развивалась элек­троэнергетика США. Здесь до середи­ны 1960-х годов энергоснабжение стра­ны осуществляли несколько тысяч энергоснабжающих компаний с независимой технической политикой и собственными диспетчерскими службами. В результа­те в стране использовалось много раз­личных сочетаний номинальных напря­жений электрических сетей.

Получение электроэнергии из Канады от крупных гидроэлектростанций приве­ло к созданию крупнейшего энергообъ­единения в мире (1998 г.) суммарной мощностью электростанций 880 млн. кВт, обслуживающего территорию 8260 тыс. км2. Оно представляет собой четыре мощные секции: Западную, ох­ватывающую запад США и Канады, а также часть Мексики с нагрузкой 121 млн. кВт; Восточную, включающую восток Канады и США с суммой максимальных нагрузок 483 млн. кВт, штат Техас с нагрузкой 45 млн. кВт; провин­цию Квебек (Канада) с нагрузкой 31 млн. кВт. Они работают несинхронно через связи постоянного тока на частоте 60 Гц.

В объединениях имеются хорошо развитые электрические сети 230 -500 кВ и 345 - 750 кВ суммарной про­тяженностью около 241,1 тыс. км, в том числе 230 кВ — 116,9 тыс. км; 345 кВ — 79,2 тыс. км, 500 кВ — 41,1 тыс. км, 765 кВ — 3,9 тыс. км. При этом напряжение 750 кВ использу­ется в основном для передачи мощ­ности на дальние расстояния (около 1000 км) от ГЭС Канады. Распредели­тельная сеть выполнена на напряжении 60 кВ и ниже. Управление функциони­рованием энергообъединения (ЭО) осу­ществляется системой диспетчерского управления, которая отличается боль­шим разнообразием: централизован­ное, двустороннее или последователь­ное, брокерское.

Централизованное диспетчерское управление обслуживает только около 40 % всей установленной мощности США и Канады.

Двустороннее диспетчирование — наиболее распространенный способ ре­гулирования обменов мощностью, энергией, взаимных услуг. Каждая ком­пания ежедневно самостоятельно пла­нирует график своих нагрузок, а затем последовательно уточняет его (ежечас­но) в зависимости от фактических значе­ний. Успех компании на рынке в значительной мере зависит от искусства дис­петчеров и "режимщиков".

Брокерское диспетчирование также основано на двусторонних сделках и применяется, как правило, в сочетании с последовательным диспетчированием. Диспетчерское управление основной электрической сетью осуществляется 151 диспетчерским центром. После ряда крупных системных аварий 1965 г. с объемом отключений нагрузки до 43,5 млн. кВт были созданы Националь­ный совет по надежности (NERG) и де­вять региональных советов. В Нацио­нальном совете NERG функционируют комитеты, которые разрабатывают рекомендации по финансам, оперативно­му управлению, технической политике. Все советы по надежности являются добровольными консультативными ор­ганизациями, и не имеют распоряди­тельных функций.

Координация развития электроэнер­гетики объединения осуществляется по иерархической системе: энергокомпа­нии, энергообъединение, советы по на­дежности, министерство энергетики. Предложения по развитию энергоком­паний и энергообъединений поступают в советы по надежности, где обобща­ются, анализируются, корректируются. Рекомендации по корректировке балан­сов мощности и электроэнергии со­общаются энергокомпаниям. Однако окончательное решение остается за энергокомпаниями, основным критери­ем работы которых является прибыль. В этих условиях трудно ожидать реа­лизации межсистемного эффекта от объединенной работы энергосистем в масштабах страны.

Таким образом, работа энергосис­тем на единую электрическую сеть при ограниченной координации функциони­рования и развития электроэнергетики не позволяет реализовать в полной мере межсистемный эффект от объ­единенной работы, и это снижает ее эффективность. Отсутствие единого диспетчерского управления и системы управления развитием в крупнейших энергообъединениях мира существенно снижает надежность их работы даже при высоких резервах мощности и хо­рошем развитии электрических сетей.

Тяжелые системные аварии, нару­шающие электроснабжение на огром­ных территориях, периодически повто­ряются. Наиболее крупные системные аварии за последние 20 лет происходили в европейском объединении, когда в 1978 г. и в 1987 г. во Франции были отключены соответственно 28 и 12 млн. кВт мощностей.

Наиболее часто системные аварии происходили в объединении Северной Америки (США и Канада): Восточной и Западной секциях и Квебеке. В период с 1977 до 1996 г. здесь периодически происходили тяжелейшие системные аварии с нарастающим отключением потребителей суммарной мощностью от 6 до 30,4 млн. кВт. В докладе прези­денту США о причинах одной из наи­более тяжелых аварий американские специалисты отмечали неудовлетвори­тельную эксплуатацию сетевого и стан­ционного оборудования, неудовлетворительное состояние противоаварийной автоматики (ПА) и качества диспетчерского управления. Обращено внимание на необходимость применения отклю­чения потребителей для предотвра­щения развития системных аварий. В 2003 г., как известно, в Восточном объ­единении снова произошла тяжелейшая авария с массовым отключением потре­бителей мощностью до 50 млн. кВт.

В Советском Союзе, а позднее в странах Восточной Европы, входивших в СЭВ, развитие электроэнергетики осу­ществлялось, как известно, на иной основе, соответствующей плановому ведению хозяйства. В послевоенный пе­риод в нашей стране началось бурное развитие электроэнергетики, форми­рование энергосистем, завершившееся созданием Единой энергетической сис­темы страны, функционирование и развитие которой осуществлялось цен­трализованно, по единым критериям, обеспечивающим экономический (народнохозяйственный) эффект в целом по стране. Это была высшая форма интеграции.

К 1990 г. суммарная установленная мощность электростанций ЕЭС СССР достигла 288,6 млн. кВт (89 % мощности всех электростанций страны). Системо­образующая электрическая сеть была сформирована пиниями двух систем на­пряжения: 220, 500 кВ и 330, 750 кВ, Было начато строительство ВЛ 1150 кВ переменного тока и 1500 кВ постоян­ного. Суммарная протяженность элек­трических сетей 220 кВ и выше составляла около 186 тыс. км, в том числе 220 кВ — 107 тыс. км, 330 кВ — 31,1 тыс. км, 500 кВ — 38,4 тыс. км, 750 кВ — 7,8 тыс. км. 1150 кВ — 1,9 тыс. км. Отличительной особен­ностью электрических сетей СССР была большая дальность передачи мощности и относительно небольшая их плотность, причем по плотности различные регио­ны страны резко различались.

Межсистемный эффект ЕЭС Совет­ского Союза на уровне 1990 г. оцени­вался следующими показателями:

суммарная экономия установленной мощности электростанций по сравне­нию с изолированной работой объеди­ненных систем на 15 - 17 млн. кВт (5 % максимума нагрузки); экономия топли­ва еще и на электростанциях за счет оп­тимизации структуры электростанций и режимов их использования (10 -12 млн. т условного топлива в год — 2 % общего потребления топлива тепловы­ми электростанциями). При этом уде­шевлялось строительство электростан­ций за счет укрупнения не только их мощности, но и мощности устанавлива­емых агрегатов, а также выбора рацио­нальной мощности ГЭС при использова­нии их в переменной части суточного графика.

Повысилось энергообеспечение реги­онов при разного рода отклонениях от планируемых в будущем условий.

Обеспечение надежного функциони­рования такого мощного объединения потребовало создания весьма совер­шенной системы автоматизированного диспетчерского и противоаварийного управления ЕЭС, а также и системы управления развитием. В стране была создана иерархическая четырехуровне­вая система диспетчерского управления ЦДУ - ОДУ - энергосистемы - энерге­тические объекты. Основой ее были четкое распределение функций между персоналом различных ступеней управ­ления на основе наибольшей допустимой самостоятельности подчиненного персонала и строгая диспетчерская дисциплина. Это, как известно, является основным условием эффективного противоаварийного оперативного управле­ния крупным энергообъединением.

Важнейшим элементом, обеспечива­ющим надежность и экономичность функционирования ЕЭС, было управле­ние ее развитием через создание само­стоятельного звена - проектирование развития энергосистем. Задача проек­тирования заключалась в обосновании решений, определяющих перспективу: оптимальную структуру генерирующих мощностей с учетом условий формиро­вания топливно-энергетического комп­лекса (ТЭК) страны; выбор основных параметров и рационального размеще­ния электростанций; разработку оптимальных сочетаний напряжения и схем электрических сетей (от системообра­зующих до распределительных), а так­же средств эксплуатации энергосистем, включая принципы диспетчерского и противоаварийного управления, ре­монтное обслуживание и т.п. И все это было сделано, исходя из обеспечения общегосударственных интересов.

Таким образом, проект развития энергосистем всех уровней представлял собой оптимальную модель будущей ЕЭС, ОЭС, отдельных энергосистем по этапам рассматриваемого периода в 10-15 лет. При этом проверялась и их работоспособность в характерные пе­риоды — суточные и годовые режимы работы электростанций и электрических сетей, аварийные режимы, уровень то­ков короткого замыкания, оценка допу­стимых перетоков по линиям, по усло­виям устойчивости.

Для перспективного проектирования была разработана вся технология вы­полнения работ: определены задачи, состав, периодичность всего цикла ра­бот в соответствии с потребностями планирующих организаций. Создана со­ответствующая, нормативно-методиче­ская и информационная база, а также математическое обеспечение проек­тирования. Целесообразность принима­емых решений развития электроэнер­гетики контролировалась Минэнерго СССР и Госпланом страны. Реализация проектных решений осуществлялась через пятилетние планы при государствен­ном финансировании.

В стране была создана школа высоко­квалифицированных проектировщиков энергосистем. Проектные работы по ЕЭС опирались на фундаментальные ис­следования научных институтов страны и Академии наук. Многие инженеры-про­ектировщики защитили кандидатские и докторские диссертации. Наши специа­листы участвовали в разработке проек­тов создания Единой энергосистемы "МИР" с ЦДУ в Праге, объединявшей энергосистемы стран - членов СЭВ, а также в организации ее параллельной работы с ЕЭС нашей страны. Таким об­разом, только в нашей стране и в стра­нах СЭВ были созданы единые энерге­тические системы, которые работали синхронно на территории от Улан-Бато­ра до Берлина суммарной мощностью электростанций свыше 400 млн. кВт.

Централизованная система управле­ния функционированием и развитием электроэнергетики нашей страны предотвращала на протяжении многих лет (с 1948 г.) развитие крупных системных аварий с нарушением электроснабже­ния целых регионов. Наши методы проектирования энергосистем были призна­ны в странах Западной Европы и использованы в рабочих группах Европейской экономической комиссии ООН в Жене­ве, где наши специалисты работали вме­сте с европейскими коллегами - про­ектировщиками энергосистем, занима­ясь вопросами эффективного развития объединения Западной и Северной Ев­ропы (ИСТЕ и NORDEL) с энергосисте­мой "МИР" и ЕЭС нашей страны.

Следует отметить высокую квалифи­кацию проектировщиков энергосистем Западной Европы. В своих исследовани­ях они доказывали несомненную эф­фективность реализации межсистем­ного эффекта от объединенной работы энергосистем в масштабах Европы. Американских энергетиков наши подхо­ды к вопросам управления развитием своей национальной энергосистемы и всего объединения не интересовали. На симпозиумах, организованных в рамках Минэнерго СССР, они заявляли, что во­просы развития энергетики - это дело энергоснабжающей компании, а крите­рий эффективности ее работы - при­быль. Поэтому и техническая политика отдельных энергетических компаний США существенно отличается от поли­тики европейских национальных систем. Государство регулировало ее только на законодательном уровне, вводя некото­рые ограничения, как, например, существовавший длительное время запрет на использование газа в электроэнергетике.

Только после тяжелых системных аварий в США стали уделять большее внимание надежности функционирова­ния энергосистем, а также некоторым аспектам их перспективного развития. Однако нам неизвестны работы по раз­витию национальной энергосистемы США в нашем понимании, хотя прогно­зирование развитием электроэнергетики отдельных крупных энергокомпаний там существует. Прогнозы перспектив­ного спроса на электроэнергию и мощ­ность, балансов мощности и энергии, а также вопросы научно-технического прогресса в электроэнергетике регу­лярно разрабатываются.

Исследования ведутся в рамках двух ассоциаций, в состав которых входят на добровольной основе энергокомпании и два головных института (EEI и EPRI), ко­торые занимаются анализом эксплуата­ции, а также исследованиями в области эксплуатации и развития. Работой этих организаций руководят советы, в кото­рые входят представители головных институтов и крупных энергокомпаний. Для подготовки рекомендаций советы создают группы из приглашенных экс­пертов, обновляемые каждые три года. Советы формируют планы научно-ис­следовательских работ. К выполнению этих работ привлекаются ведущие про­мышленные корпорации и универси­теты. Отчеты по этим исследованиям рассылаются энергокомпаниям и инсти­тутам. Представляется, что такая орга­низация перспективных работ не спо­собствует созданию школы проектировщиков энергосистем, особенно если учесть чрезвычайно узкую специализа­цию высшего технического образования в США. Поэтому приглашение амери­канских специалистов в Россию в начале 1990-х годов для помощи в проектиро­вании ЕЭС могло вызвать только недо­умение. Для американских специали­стов разных специальностей, которые приезжали к нам, вероятно, это было полезно: они неоднократно это и отме­чали. Результатом этих работ была пе­редача США детально исходной инфор­мации по состоянию нашей электро­энергетики и перспективам ее развития. Таким образом, опыт функциониро­вания больших энергообъединений мира и единых энергосистем показывает, что децентрализованная система управле­ния функционированием и развитием не обеспечивает экономичной и надежной их работы даже при наличии огромных {выше рационально необходимых) ре­зервов и высоком качестве энергети­ческого и электротехнического обору­дования и топлива. В то же время централизованная система позволяет надежно и рационально работать круп­нейшим энергообъединениям на огромных территориях, даже при постоянной нехватке капитальных вложений и мате­риальных ресурсов.

Конечно, электроэнергетика СССР имела недостатки, присущие всей пла­новой государственной экономике: не­заинтересованность предприятий в по­вышении эффективности работы; низкая производительность труда; отсутствие стимулов к использованию новых техно­логий; высокая "затратность". Следстви­ем этого стало нарастающее (начиная с 1970-х годов) отставание ее техническо­го уровня от уровня промышленно раз­витых стран. Поэтому в новых условиях в России закономерно встал вопрос о повышении эффективности всей эконо­мической системы страны. Поскольку не придумано других путей повышения эффективности, кроме частной собст­венности и конкуренции, то и у нас было принято решение о приватизации в на­родном хозяйстве. Проблемы, возник­шие в электроэнергетике после прива­тизации, и возможные пути решения не­которых из них будут рассмотрены во второй части статьи.

Продолжение следует